СУЩНОСТЬ И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОЩНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ТИПА «М». ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

TITLE OF THE ARTICLE: “THE ESSENCE AND PRINCIPLE OF OPERATION OF THE MICROWAVE DEVICE TYPE "M". ITS OPERATIONAL FEATURES.”

Egor Chernykh

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Alexander Chernov

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Alexander Golubenko

Student, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G.K. Zhukov VA VKO, Russia, Tver

Аннотация. В современном мире мы не можем представить свою жизнь без новейших устройств и систем радиоэлектроники. Одним из таких выдающихся устройств является – «Магнетрон». Он необходим для построения систем радиосвязи, модуляции зондирующего сигнала в системах радиолокации, применяется в бытовых устройствах и тд. Изучение таких основополагающих устройств является ключом к пониманию всей информационной и технологической структуры современности.

Abstract. In the modern world, we cannot imagine our lives without the latest devices and electronic systems. One of these outstanding devices is the Magnetron. It is necessary for building radio communication systems, modulating the probing signal in radar systems, used in household devices, and so on. The study of such fundamental devices is the key to understanding the entire information and technological structure of our time.

Ключевые слова: магнетрон, СВЧ, система, радиосвязь, радиолокация

Keywords: magnetron, microwave, system, radio communication, radar.

Сущность и принцип функционирования устройства СВЧ типа «М» - Магнетрона:

Многорезонаторный магнетрон – это прибор М-типа с замкнутым электронным потоком, в котором неоднородный по плотности электронный поток формируется во взаимодействии с СВЧ-полем замкнутой в кольцо резонансной системы.

Устройство многорезонаторного магнетрона (МРМ) представлено на рис. 1.

Рисунок 1. Многорезонаторный магнетрон

Он состоит из цилиндрического катода, окружающего его медного анодного блока, в котором расположена колебательная система (связанного типа) с резонаторами типа «щель – отверстие», в которой может распространяться прямая гармоника пространственной волны СВЧ-поля. Вывод энергии СВЧ-колебаний осуществляется с помощью выходного устройства коаксиальной, коаксиально – волноводной или волноводной конструкции.

В зависимости от величины генерируемой мощности анодный блок может иметь воздушное или жидкостное охлаждение. Кроме того,
в конструкции МРМ могут быть системы механической или электронной перестройки частоты.

Для создания магнитного поля используются постоянные магниты.
В случае, если такие магниты конструктивно составляют с магнетроном единое целое, такие МРМ называют пакетированными.

Колебательная система МРМ состоит из N резонаторов, свёрнутых в виде кольца (цилиндра). Фрагмент эквивалентной схемы равнорезонаторной КС МРМ представлен на рис. 2.

Рисунок 2. Эквивалентная схема равнорезонаторной КС многорезонаторного магнетрона

Данная схема учитывает только ёмкостную связь между соседними резонаторами за счет ёмкостей С_св, образованных сегментами анодного блока относительно катода.

Физически число n характеризует целое число пространственных длин волн, укладывающихся по периметру анодного блока.

Для всех других видов колебаний  число пучностей СВЧ-поля меньше N, поэтому от импульса к импульсу пучности СВЧ-поля будут случайным образом перемещаться от резонатора к резонатору, что приведет к нестабильному отбору мощности.

На практике всегда стремятся использовать вид колебаний, для которого j₀= p. Такие колебания называют рабочими или колебаниями p-вида.

Как следует из выражения (2.6), при четном числе абсолютно одинаковых резонаторов для всех видов колебаний (кроме p и 0) собственные частоты ПОПАРНО совпадают, образуя так называемые дублеты. Виды колебаний с одинаковыми собственными частотами называют вырожденными.

Принцип функционирования МРМ состоит в следующем: при подаче напряжения на анод магнетрона электроны из катода начинают двигаться под действием электрической F_э и магнитной F_м сил, при этом пространственная волна в КС МРМ отсутствует.

В спектре шумов этого движущегося «электронного облака» всегда есть составляющие тепловых и дробовых шумов электронов и фликкерная составляющая шумов катода. Попадая в полосу прозрачности КС МРМ, эти шумовые составляющие вызывают отклик в резонаторах КС, что приводит к появлению слабой пространственной волны СВЧ-поля в КС. Прямая гармоника пространственной волны начинает взаимодействовать с движущимся электронным потоком, формируя вначале слабые, неплотные спицы. Электронный поток, попадая в тормозящую фазу СВЧ-поля КС, отдает этому полю свою энергию, усиливая амплитуду волны в КС.

Вследствие этого пространственная гармоника волны СВЧ – поля в КС усиливает плотность «спиц», и процесс развивается лавинообразно (при выполнении амплитудных и фазовых условий самовозбуждения).

Благодаря принятым вышеизложенным мерам в такой КС возможен только рабочий вид колебаний (p-вид).

Область применения.

Многорезонаторные магнетроны нашли широкое применение в однокаскадных радиопередающих устройствах импульсных РЛС, СНР, устройствах для промышленного нагрева, микроволновых печах в качестве мощных СВЧ автогенераторов. Достоинством МРМ являются простота схемы РПУ, достаточно высокие эксплуатационные характеристики, большие значения выходной мощности и высокий КПД.

Недостатками МРМ являются низкая стабильность генерируемой частоты () и малый диапазон электронной перестройки частоты.

Магнетрон является распространённым устройством мощного СВЧ-излучения и его влияние на организм человека зависит непосредственно от сферы применения:

Если речь идет о магнетроне, который используется в бытовой микроволновой печи, то это опасно, хоть и повреждения для человеческого организма не очень велики, так как мощность приборов относительно мала.

Хоть прибор и испускает волны, опять же, не очень высокой частоты, такая частота все же способна нанести вред человеческому телу, если находиться под влиянием этих волн в течении длительного промежутка времени.

То, что может произойти: ожог, потому что волны частот, испускаемых микроволновкой, способны только лишь поднять температуру тела изнутри, а не снаружи. Поэтому если, например, держать руку в микроволновой печи на протяжении 10 минут, всё, что будет ощущаться — это сильное жжение в руке. Однако внешне поначалу ничего не будет заметно, а только потом появится ожог.

Если же говорить о таких магнетронах, использующихся в промышленности, как, например, токомак, благодаря которому происходит удержание раскалённой плазмы температурой порядка 150 миллионов градусов Цельсия, что в 10 раз выше, нежели температура ядра Солнца, то здесь опасность для организма человека намного выше. Такие установки уже испускают гипервысокие частоты, которые способны поднять внутреннюю температуру человеческого тела до критической (50-55 градусов Цельсия), при которой начинают сворачиваться белки, а это ведёт уже к таким негативным последствиям, как потеря зрения и прочие необратимые дефекты в организме. 

А теперь немного изобретательности и фантастики: магнетроны, которые используются при термоядерном синтезе, способны своим магнитным полем отклонить поток возникающих электронов в нежелательную сторону, что происходит при каких-либо ошибках. А при попадании потока электронов на любую поверхность кинетическая энергия частиц преобразовывается в теплоту, поэтому человека просто-напросто разорвёт.

Заключение:

Таким образом, магнетрон является распространённым устройством, преобразующим энергию постоянного тока в энергию мощного СВЧ-излучения, применяющегося в радиолокации, радиосвязи, быту и тд. Без такого устройства невозможно представить современный мир радиоэлектроники. Однако, при работе с устройствами, излучающих СВЧ-сигнал такой мощности, необходимо использовать средства защиты и соблюдать требования безопасного обращения с ним.